Apresentação do PowerPoint

Procura por Vida
Fora da Terra
Dept. Astronomia
Instituto de Física – UFRGS
Astrobiologia
Astrobiologia – estuda
a origem,
a evolução,
a distribuição
e o futuro da vida no
Universo.
A astrobiologia é uma ciência multidisciplinar,
envolvendo áreas da Biologia, da Astronomia
e da Geologia, bem como outras ciências
multidisciplinares.
Outras designações como
Exobiologia,
Xenobiologia,
Xenologia,
Bioastronomia,
Cosmobiologia,
etc,
foram propostos no passado para este campo da ciência,
mas o termo que mais se usa atualmente é Astrobiologia.
O que caracteriza um “ser vivo” ?
Não há uma resposta inequívoca para esta pergunta, mas algumas
características parecem ser comuns a todos os seres vivos na Terra:
Estrutura Celular
Adaptação ao Meio
Reprodução
Metabolismo
Resposta à Estímulos
Evolução
Crescimento
Mutação
Como a vida surgiu na Terra?
Duas hipóteses:
1–
Os primeiros organismos vivos vieram de fora da Terra (panspermia).
Neste caso, as primeiras formas de vida
teriam sido trazidas por meteoros.
O origem da vida estaria fora da Terra.
2 – Os primeiros organismos surgiram no ambiente primitivo da Terra.
(Essas duas possibilidades não são mutuamente excludentes.)
O ambiente primitivo da Terra
Com o esfriamento,
a água formou
oceanos e lagos.
A Terra se formou a partir de 4,6 bilhões de anos. Gases voláteis como o hidrogênio (H2) e
o hélio (He) estavam presentes na atmosfera primitiva da Terra, mas foram progressivamente
escapando da mesma.
Não havia oxigênio (O2) e, portanto, ozônio (O3). Sem uma camada de ozônio, a superfície
do planeta estava totalmente exposta à radiação ultravioleta do Sol.
A atividade vulcânica e o desgasamento do interior quente da Terra lançaram para a
atmosfera, grandes quantidades de vapor d'água (H2O), monóxido de carbono (CO),
metano (CH4), amônia (amoníaco, NH3), e outros gases.
Neste ambiente inóspito, em algum momento, a vida surgiu.
Hipótese de Oparin e Haldane
Oparin (bioquímico russo) e Haldane (biólogo inglês)
publicaram em 1924 e 1929, respectivamente, dois
trabalhos independentes que, curiosamente, tinham o
mesmo título: “A Origem da Vida”.
Oparin
Haldane
Oparin e Haldane, partiram do pressuposto de que a atmosfera primitiva da Terra era
composta predominantemente por metano (CH4), amônia (NH3), hidrogênio (H2),
monóxido de carbono (CO) e vapor d'água (H2O), gerados pela atividade vulcânica.
Oparin e Haldane propuseram de que a vida seria resultante de uma evolução química:
os compostos inorgânicos da atmosfera primitiva teriam formado, através de reações
químicas, moléculas orgânicas. A atividade elétrica durante tempestades (relâmpagos)
junto com a emissão solar teriam gerado radiação ultravioleta suficiente
para fornecer a energia necessária para que tais reações ocorressem.
(aminoácido)
(proteína formada por cadeias peptídicas de aminoácidos)
Testando a hipótese de Oparin-Haldane
O experimento de Miller-Urey (1952-3) foi concebido para testar a hipótese de Oparin-Haldane
de que os compostos orgânicos percursores da vida teriam sido sintetizados a partir de
compostos inorgânicos no ambiente primitivo da Terra.
A proposta de realização do experimento partiu de Stanley Miller, na época estudante
de Harold Urey, Prêmio Nobel de Química por seu trabalho sobre isótopos.
Stanley Miller (1930 – 2007)
Químico e biólogo americano.
Harold Urey (1893-1981)
Físico-químico americano.
Prêmio Nobel de Química – 1934
(pelo estudo dos isótopos)
Experimento de Miller-Urey (1952-53)
Objetivo – o experimento
de Miller-Urey foi idealizado
para testar as hipóteses de
Oparin-Haldane através de
uma simulação do ambiente
primitivo da Terra.
Equipamento: um balão de vidro contendo água aquecido por uma fonte de calor simulava
os oceanos primitivos, aquecidos pelo interior quente da Terra. O vapor gerado se juntava
a uma mistura de gases – metano (CH4), amônia (NH3), monóxido de carbono (CO) e
hidrogênio (H2) – simulando a atmosfera primitiva. Dois eletrodos ligados a uma fonte de
alta tensão reproduziam as descargas elétricas da atmosfera, fonte (junto com a luz solar)
de radiação ultravioleta, necessária para a ocorrência das reações químicas. A mistura era
resfriada e se condensava para depois se juntar ao balão de água, simulando o ciclo de
chuvas.
Resultados: após uma semana de operação contínua, foi constatado que de 10 a 15% do
carbono dos compostos inorgânicos iniciais estava agora formando moléculas orgânicas,
sendo que 2% haviam formado aminoácidos.
Moléculas orgânicas
são sintetizadas
fora da Terra ?
Compostos orgânicos em nuvens moleculares
Já foram detectadas centenas
compostos orgânicos em nuvens
moleculares dentro de nossa
galáxia e até em outras galáxias!
No meio interestelar há nuvens rarefeitas de
gás e poeira. Acima, se vê a nuvem local
dentro da qual o Sol e as estrelas mais próximas
estão.
A análise espectral da luz que passa através deste
meio permite estudar sua composição química.
hidrocarbonatos aromáticos
hidrocarbonatos alifáticos
alcools
ácidos
aldeídos
cetonas
aminas
éteres
etc...
Podemos também procurar por moléculas orgânicas
em amostras vindas de fora da Terra: meteoritos
Berringer (1.2 km x 175 m)
Peru (30m x 6m)
Meteorito Willamette
Vários meteoritos apresentam aminoácidos
● de origem extraterrestre.
●
Condições de Habitabilidade
Ingredientes químicos básicos
Os “ingredientes” químicos, necessários para a Vida:
●
os 6 elementos biogênicos:
C – Carbono
H – Hidrogênio
O – Oxigênio
N – Nitrogênio
S – Enxofre
P – Fósforo
(e pequenas quantidades de vários outros elementos)
●
ÁGUA LÍQUIDA
Locais habitávies – são ambientes onde estes “ingredientes” estejam presentes
e com outros parâmetros ambientais (como temperatura, pressão, pH do meio,
intensidade de radiação, etc) dentro de certos limites e que potencialmente
poderiam abrigar algum tipo de Vida.
IMPORTANTE: quando se diz que um ambiente é “habitável” não se quer dizer
que este seja “habitado” ou mesmo que em algum tempo
este ambiente foi ou será habitado.
O conceito de “zona habitável”
Se o planeta estiver perto demais da estrela → temperaturas demasiado altas na superfície.
Se o planeta estiver longe demais da estrela → temperaturas demasiado baixas na superfície.
A região ao redor de uma estrela onde faixa de temperatura permitiria a existência de água
líquida na superfície de um planeta é chamada de “zona habitável”.
Esta definição de “zona habitável”, baseada unicamente na distância média que do planeta
à estrela, é útil, mas é também um tanto simplista, pois não leva em conta os efeitos da
atmosfera do planeta sobre a temperatura em sua superfície e a possibilidade de existir água
líquida em regiões mais distantes, como por exemplo, sob crostas de gelo de planetas ou
luas .
TEMPO: um ingrediente fundamental
Idade da Terra = 4.6 bilhões de anos
●
(compostos orgânicos)
●
Paleontologia: fósseis microscópicos
●
de bactérias e algas
●
= 3.8 bilhões de anos
●
Tempo para surgir vida na Terra =
●
~ 800 milhões de anos.
●
Homem: 30 trilhões de células 1ng cada
●
●
Homo sapiens = ~ 300 000 anos
●
Homo sapiens sapiens = ~ 125 000 anos
Civilização = ~ 10 000 anos
●
(com o fim da última era glacial)
●
(fósseis de microrganismos)
Na Terra, foram necessários ~ 800 milhões de anos para a vida surgir
●
e 3,8 bilhões de anos para aparecer vida inteligente.
●
Organismos Extremófilos
“A vida pode tomar formas inesperadas,
evoluir em lugares improváveis
e de formas imprevisíveis.”
Dentro de que condições ambientais a vida pode existir ?
●
quais são os limites de temperatura?
●
quais são os limites de pressão?
●
quais são os limites de pH?
●
quais são os limites para intensidade de radiação?
●
qual deve ser a concentração mínima de água do meio?
●
etc, etc, etc...
Podemos encontrar respostas para essas perguntas, pelo menos para o caso das
formas de vida existentes na Terra, estudando organismos que vivem em condições
extremas: os extremófilos.
EXTREMÓFILOS
Os extremófilos são classificados em diferentes grupos:
Hipertermófilos: crescem em elevadas temperaturas (T > 80oC);
● Criófilos: crescem em baixas temperaturas (T < -13oC);
●
Halófilos: vivem em salinas, com altas concentrações de NaCl (2 a 5 mol/L);
● Alcalófilos: vivem em meios muito alcalinos (pH > 9);
● Acidófilos: suportam meios muito ácidos (pH < 3);
● Metalotolerantes: toleram altas doses de metais pesados em soluções (Cu, Cd, As, Zn);
● Osmófilos: crescem em ambientes com altas concentrações de açúcar;
●
Endólitos: vivem dentro de rochas (pensava-se que rochas eram estéreis, sem nutrientes);
● Hipólitos: encontrados dentro de rochas de desertos gelados;
● Oligótrofos: capazes de crescer em ambientes nutricionalmente limitados;
● Xerófilos: crescem em ambientes extremamente secos;
●
Piezófilos: crescem sob altíssimas pressões (no fundo do solo ou dos oceanos);
● Hipobarofílicos: suportam baixíssimas pressões;
● Radiorresistentes: sobrevivem à 5000 Grays (10 Grays matam um homem);
●
Extremófilos que vivem em condições extremas
de temperatura
(hipertermófilos e criófilos)
(vulcões submarinos)
Campeão: Pyrodictium occultum (120oC)
Acidófilos & Alcalófilos: extremófilos que vivem em ambientes
extremamente ácidos ou muito alcalinos
Ácido
(acidófilos)
Neutro
Básico / Alcalino
(alcalófilos)
Xerófilos: extremófilos que crescem em ambientes extremamente secos
Encontrados nos desertos gelados do “Vale da Morte” (Arizona / EUA)
Outros extremófilos vivem em condições semelhantes na Antártida.
Radiorresistentes:
extremófilos que resistem à radiações intensas
Exemplo: Deinococcus radiodurans
Sobrevive à radiações de
5000 Grays !!
1 Gray equivale a 1 J / kg.
10 Grays matam um homem !
Bactéria que substitui o Fósforo por Arsênico
●
Nome: GFAJ-1
●
Encontrado no Lago Mono (Califórnia)
O Lago Mono é extremamente salgado
● (3 x mais salgado que os oceanos)
● e conta com níveis elevados de
● arsênico.
●
Cultivaram bactérias da lama do fundo
● do Lago Mono em laboratório e foram
● reduzindo as quantidades de fósforo
● e aumentando as de arsênico.
●
Fósforo está presente na estrutura do
● DNA, do ATP e de outras moléculas.
●
Descobriram evidências (ainda não
● conclusivas) de que o GFAJ-1 estava
● substituindo o fósforo por arsênico.
●
O Caso da Surveyor 3
Em 1967 a NASA enviou para a Lua a sonda não-tripulada
Surveyor 3. A sonda permaneceu em solo lunar durante
3 anos. A câmera da Sureyour 3 foi trazida de volta para a
Terra pelos astronautas da missão Apolo 12.
Foi encontrada uma colônia de bactérias Streptococcus mitis
que havia contaminado a borracha de isolamento
da câmera antes de ser enviada à Lua.
As bactérias sobreviveram à viagem de ida e volta
e aos quase 3 anos que passaram na Lua !!
A possibilidade de contaminação de sondas
espaciais e de seus instrumentos exige cuidados.
Meteoritos também podem sofrer contaminação
no ambiente terrestre.
Locais Habitáveis
no
Sistema Solar
Locais onde foram encontrados
indícios de água líquida
no sistema solar
●
Marte → água na forma de gelo e na forma líquida; vapor d'água na atmosfera;
●
●
Júpiter → algumas de suas luas:
Europa
●Ganímedes
●Calisto
●
●
Locais habitáveis
mais promissores
Saturno → algumas de suas luas:
Encélados
●
●
Titã
●
→ um possível oceano líquido
→ um possível oceano líquido
→ um possível oceano líquido
→ atividade geotérmica; água em vapor; possível lago
ou oceno de água líquida
→ lagos de carboidratos na forma líquida
Marte
(Mars Pathfinder)
●
Marte possui água (vapor e gelo)
●
Água líquida em amostras de solo (2008)
●
Pressão 150 vezes menor que na Terra
Meteorito ALH84001: evidências
● de microrganismos..
●
O caso do meteorito ALH84001
Meteorito No. 0001 de 1984
● Local: Allan Hills (Antártida)
● Massa: 1.9 kg
● Este é um de uns 20 meteoritos de origem
● marciana.
●
Formação: 4.5 bilhões de anos
● Ejeção: 16 milhões de anos
● Queda na Terra: 13 mil anos.
●
Em 1996 foram encontrados possíveis
● restos de nanobactérias neste meteorito.
●
1996:
● traços de carbono
● orgânico em outro
● meteorito marciano,
● o EETA79001
●
Júpiter e suas luas
Júpiter parece não oferecer condições para abrigar vida,
mas algumas de suas luas podem ser habitáveis:
Europa
● Ganimedes
● Calisto
●
Europa:
um possível oceano interno
Exploração futura de Europa e outras luas
A exploração futura será feita por sondas robotizadas
controladas por inteligência artificial.
“criobot”
Saturno, seus anéis e suas luas
← Esta é a pequena lua Encélados (comparada
com a Terra). Encelados orbita dentro de uma
região preenchida por uma espécie de “névoa”.
Antes da missão Cassini se aproximar de
Saturno não se sabia qual a origem desta
“névoa”.
Geysers em Encélados → descobertos pela sonda Cassini em 2005
Encélados: estrutura interna
O calor proveniente do núcleo quente e do
trabalho mecânico realizado pelas forças
de maré decorrentes da atração gravitacional
de Saturno pode estar derretendo o gelo da
crosta externa. A água sobre pressão chega
à superfície e é ejetada para o espaço na
forma de vapor.
TITÃ: uma das luas de Saturno
Lagos de carboidratos líquidos nas regiões
● polares.
●
Primeiros lagos de líquidos descobertos fora
● da Terra!
●
Análise da atmosfera de Titã sugere que
● organismos estariam consumindo hidrogênio,
● acetileno e etano e produzindo metano.
●
Radar
Comparação dos tamanhos:
Terra – Titã – Lua
Procura por Vida
fora do
Sistema Solar
Outros Sistemas Planetários
Cerca de 40% das estrelas da Via Láctea (*)
possuem planetas.
(*) estrelas que não estão em sistemas binários ou múltiplos.
Procura por bio-assinaturas
Durante um trânsito planetário, a luz da estrela passa
através da atmosfera do planeta.
A análise espectroscópica desta luz pode revelar a
composição química, pressão e temperatura média da
atmosfera do planeta
A presença de certas moléculas (como H2O, CO2, O2 e O3)
podem ser produtos de atividade biológica no planeta.
Vida Inteligente
fora da Terra ?
Estranhos sinais de rádio estavam vindo da Nebulosa do Caranguejo !
Não se conhecia nenhuma fonte natural que
pudesse produzir esse tipo de sinal.
Estariam sendo produzidos por alguma forma
de civilização extraterrestre ?
Pulsar: uma fonte natural de sinais pulsantes
Um pulsar é uma estrela de nêutrons
em rápida rotação e com um forte
campo magnético. Feixes de ondas
eletromagnéticas são emitidos em
certas direções que precessionam com
a rotação da estrela. Quando um desses
feixes passa pela Terra, um pulso é
Detectado. Este era o mecanismo que
que produzia os sinais da nebulosa
do Caranguejo.
O argumento dos grandes números
Via Láctea:
Diâmetro:
● Espessura:
●
●
~
~ 100 000 anos luz;
1 000 anos luz;
Número de estrelas na Via Láctea: 200 bilhões..
100 bilhões de galáxias observáveis no Universo ...
●
●
1020 sistemas planetários no Universo ...
É possível que a existência de vida primitiva, na forma
de micro-organismos, seja frequente no Universo.
Formas mais complexas de vida (como vegetais e
animais) devem ser muito raras, pois são resultantes de
um complexo processo de diversificação, adaptação
e evolução da vida, o que depende de uma série de
condições.
A possibilidade de existência de vida inteligente fora
da Terra é baseada no argumento dos grandes números.
Equação de Drake:
← Frank Drake
A equação de Drake propõe uma estimativa do número de civilizações existentes na Galáxia,
com tecnologia de comunicação por ondas eletromagnéticas (ondas de rádio). A equação de
Drake é apresentada em diferentes formas; uma delas é a forma acima.
Primeira estimativa (1961):
f pla = 0,5
● n
hab = 2
● f
vida = 1
● f
→ N c i v = 10
int = 0,01
● f
com = 0,01
● T
dur = 10 000 anos
●
Os valores de alguns termos da equação de Drake
são conhecidos; outros ainda não; e outros, não
temos como conhecer. Mas, podemos assumir
valores “otimistas” e “pessimistas” para encontrar
um limite superior e um limite inferior.
D=[Volume/N]
1/3
=10000 anos-luz
Estimativa extremamente otimista:
f pla = 0,5
● n
hab = 2
● f
→ N c i v = 20 000
vida = 1
● f
int = 0,1
● f
com = 0,1
● T
dur = 10 000 anos
●
SETI = Search for Extra Terrestrial Inteligence
Projeto Phoenix – Arecibo / Porto Rico / EUA
Diâmetro: 305 m (maior radiotelescópio do
mundo)
← (SETI @ home)
50 anos...sem sinal...
Alvos do SETI
“Buraco d'Água”
Dentro de um raido de 80 anos-luz
existem cerca de 800 estrelas similares
ao Sol.
O projeto Phoenix monitora cerca de
1000 estrelas similares ao Sol.
O “buraco d'água” é uma faixa de
comprimentos de onda de rádio (3-30 cm)
onde o ruido cósmico é relativamente
pequeno.
Seria a melhor faixa de frequências para
comunicação interestelar.
VIAGEM
ATÉ
OUTRAS ESTRELAS:
É POSSÍVEL ?
Viagem usando a tecnologia atual
●
Velocidade da luz é um limite físico : c = 300 000 km/s
●
Distância de Alpha-Centauri = 4.4 anos luz
Ônibus espacial (v = 28 000 km/h)
Voyagers
Tempo de viagem = 168 000 anos
Tempo de viagem = 80 000 anos
Viagem com uma tecnologia mais avançada ...
●
Viagem até Alpha-Centauri (~ 4.4 anos luz)
●
Velocidade: ~70% da velocidade da luz
●
Motor perfeito.... (eficiência = 100%) …
●
Energia necessária = 2.6 x 1016 J / kg
(= energia produzida em toda a Terra,
●
por todas as fontes, inclusive fontes
●
nuclear, durante 100 000 anos!)
●
●
●
Tempo de viagem = 6 anos
(seriam necessários:
1000 navios super-tanques
cheios de combustível nuclear)
IMPORTANTE: não depende da tecnologia atual !
e=10- 40%
Worm holes?
FIM